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Batterien für Elektroautos

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien findet man in fast allen, elektrisch betriebenen Geräten. Man findet sie in Notebooks, Laptops und Tablets, Smartphones und Handys, Kameras, in Fernsteuerungen, im Modellbau, in Spielzeug, in Drohnen, in Werkzeugen, Haushalts- und Gartengeräten sowie in medizinischen Geräten. Zudem sind sie Hauptenergiequelle der Elektromobilität in E-Autos, E-Bikes, Pedelecs oder E-Scootern. Enthält das Produkt bereits einen integrierten Akku, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen Lithium-Ionen-Akku. Lithiumhaltige Batterien und Akkus sind oftmals an der freiwilligen Kennzeichnung «Li» oder «Li-Ion» für Lithium zu erkennen.

Lithiumhaltige Batterien und Akkus gibt es in vielen diversen Bauformen und Baugrössen. Li-Batterien sind z.B. in zylindrischer Form der Größe AA, als 9-Volt-Blockbatterien und Knopfzellen erhältlich. Li-Ion Akkus hingegen werden regelmässig sehr individuell – in Abhängigkeit vom Gerät, in dem sie verbaut werden – gestaltet. Durch massgeschneiderte Formen und Grössen soll ein Höchstmass der spezifischen Charakteristika der Geräte berücksichtigt werden. Allerdings kann diese Vielfalt auch zu Problemen beim Nachkauf von Ersatzakkus bereits nach kurzer Nutzungsdauer führen.

Lithium-Ionen-Batterien im Elektroauto

Es gibt, mehrere Typen von Akkumulatoren (Akkus) für Elektroautos, die allermeisten basieren jedoch auf der Lithium-Ionen Technologie (LIB). Die meisten LIBs unterscheiden sich (teilweise deutlich) bei den eingesetzten Materialien und deren Wirkungsweise, was unter dem Begriff Zellchemie zusammengefasst wird. Die einzelnen Lithium-Ionen-Akkus (auch Zellen genannt) sind hermetisch verschlossen, wodurch eine Wechselwirkung mit Luftsauerstoff und Wasser verhindert wird. Diese Zellen werden zu Modulen und mehrere Module schliesslich zu einem Batteriepack zusammengefasst, welches meist von circa minus 20° bis plus 60° Celsius einsatzfähig ist. Eine Temperierung des Batteriepacks mithilfe eines Kühlmittels sorgt die Einhaltung dieses Temperaturbereiches. Da die Temperaturen hohen Einfluss auf ihre Lebensdauer haben, gibt es Dinge, die zu berücksichtigen sind.

Seltene Erden

Bevor ich mit dem Physikunterricht beginne, lasse mich mit einer Physikstunde beginnen. Was fälschlicherweise als «Seltene Erden» bezeichnet wird, sind in Wirklichkeit 17 Metalle, die alle ähnliche Eigenschaften besitzen. In Mendelejews berühmtem Periodensystem der Elemente sind die «Seltenen Erden» die «Lanthanoide» (Nummern 57 bis 71), zu denen auch Scandium (21) und Yttrium (39) gehören.

Die Verwendungsmöglichkeiten dieser «Metalle seltener Erden» sind sehr vielfältig und gehen weit über den Bereich der Elektromobilität hinaus: militärische Leichtmetalllegierungen, Plotter, Laser, industrielle Farbstoffe, Katalysatoren, Magnete, Auskleidungen für Öfen, Röntgengeräte, Strahlentherapie, Festplatten und vieles mehr.

Sind seltene Erden selten?

Dies ist häufig das Argument von Kritikern der Elektromobilität. Ihrer Meinung nach bedeutet die – vermeintliche – Seltenheit, dass ihre Ressourcen nicht unendlich sind. In der Praxis sind «Seltene Erden» nicht selten. Ihr Vorkommen in der Erdkruste ist weitaus grösser als das vieler anderer Gebrauchsmetalle und die abbaubaren Reserven an «Seltenen Erden» sind weitaus weniger kritisch als die vieler anderer so genannter strategischer Metalle. Ihre «Knappheit» rührt von der Schwierigkeit ihrer Gewinnung her: Diese Metalle müssen meist vom Erz, in dem sie vorkommen, getrennt und raffiniert werden. Dies ist mit erheblichen ökologischen und sozialen Auswirkungen verbunden.

Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien im Elektroauto?

Lithium-Ionen sind klein und beweglich. Sie sind die Ladungsträger im System. Diese befinden sich am Minuspol (der negativen Elektrode, beim Entladen als Anode bezeichnet) in einer anderen chemischen Umgebung als am Pluspol (der positiven Elektrode, beim Entladen als Kathode bezeichnet). Beim Entladen wandern die Lithiumionen durch den Elektrolyten (meist ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel) von der Anode zur Kathode, was mit einem Energiegewinn verbunden ist. Die beiden Elektroden sind mittels eines Separators (meist ein Polymer) räumlich voneinander getrennt. Sie besitzen Schichtstrukturen, in welche die Lithiumionen eingelagert (intercaliert) werden können. Man spricht daher von Intercalationsverbindungen. Gängig sind Graphitverbindungen als Anodenmaterialien und Metalloxid- bzw. Metallphosphat-Verbindungen als Kathodenmaterialien.

Aufgrund der hohen Zellspannung (üblicherweise 3-4 V) der LIBs sind wasserbasierte Elektrolyte ungeeignet. Die kompatiblen organischen Flüssigelektrolyte sind jedoch brennbar und stellen daher ein Sicherheitsrisiko dar, was LIBs jedoch mit anderen organischen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel gemein haben.

Die ersten Lithium-Ionen-Akkus für Autos gaben schon oft nach einem bis drei Jahren ihren Geist auf. Es konnte zwischenzeitlich festgestellt werden, dass es dabei nicht unbedingt an der Anzahl der Aufladezyklen lag, sondern schlicht an den Lagerbedingungen. Denn bei falscher Lagerung entstehen sogenannte «parasitäre» chemische Verbindungen, aus denen sich ein schleichender Kapazitätsverlust ergibt. Dem wird jedoch durch stetige Weiterentwicklung der Akkus entgegengewirkt, weshalb heutige LIBs bei gleicher Lagerdauer und Zyklenzahl deutlich langlebiger sind als ihre älteren Pendants.

Qualität einer Lithium-Ionen-Batterie

Art und Qualität der Lithium-Ionen-Akkus bestimmen an sich die Lebensdauer. Ein weiterer Faktor liegt aber in der Hand des Verbrauchers selbst: Die richtige Wartung. Ihr ist deshalb eine hohe Bedeutung beizumessen, weil mit der Zeit Kapazitätsverluste einhergehen. Und wie lange das dauert, hängt von vielen Variablen ab.

Manche Tipps haben erwiesenermaßen eine hohe Wirkung auf die Lebensdauer. Diese betreffen einerseits den Ladezustand während der Ruheposition, andererseits die Umgebungstemperaturen. Es sind also keine umständlichen Aktionen erforderlich und es ist auch keine Fremdhilfe nötig. Die vom Hersteller herausgegeben Informationen sollte man zu 100 % berücksichtigen. Manche Erzeuger orientieren sich mittlerweile bei den Angaben oder ihrer Garantie an den gefahrenen Kilometern oder der Anzahl der Ladezyklen und nicht am Faktor Zeit. Mit Kapazitätsverlusten gegen Ende ist dennoch zu rechnen.

Erhöhung der Lebensdauer durch richtige Wartung

In der Öffentlichkeit kursiert gerne die Legende, es sei für einen Akku gut, wenn er immer wieder vollständig entladen wird. Erst dann könne er seine Aufnahmefähigkeit vollständig erhalten. Diese Ansicht ist, bezogen auf die in E-Autos üblichen Lithium-Ionen-Akkus, grundfalsch und das Gegenteil ist richtig.

Nachladen ist besser

Es ist für die Erhaltung der Akkuleistung viel besser, wenn er nachgeladen wird, bevor die vollständige Entladung eingetreten ist. Es stresst das System, wenn auch noch die letzten Ionen rausgepresst werden müssen. Daher sollte man sein Fahrzeug möglichst nie unter einen Bereich von 20 % Ladezustand entladen. Und wenn man schon so einen niedrigen Akkustand erreicht hat, dann gilt es, möglichst starke Entladungen zu vermeiden. Denn das bedeutet so richtig Stress für das wertvolle Bauteil. Also nicht Vollgas geben, sondern gemächlich unterwegs sein.

Auch am anderen Ende der Skala kann man sich so verhalten, dass es für die Akkuphysik schonender ist. Optimal wäre es, bei einem Ladestand von 90 oder besser 80 % den Ladevorgang zu beenden. Wer also seinen Akku immer zwischen 20 und 80 % Ladezustand betreibt, der schont den Akku und trägt zu dessen Erhaltung bei. Auf 100 % lädt man daher nur im Ausnahmefall, zum Beispiel vor einer Langstreckenfahrt.

In diesem Sinne ist es eben nicht sachgerecht, einfach eine maximale Anzahl von Ladezyklen publik zu machen, nach dessen Erreichen die Akkukapazität unweigerlich sinkt. Solche vereinfachenden Pi-mal-Daumen-Kalkulationen zeigen keine belastbaren Handlungsanweisungen.

Wer seinen Akku mit niedrigen Stromstärken lädt, den Akkuladestand zwischen 20 und 75% hält und nicht ständig mit durchgetretenem Fahrpedal beschleunigt, der vermeidet Akkustress und erhält dessen Kapazität.

Einen Akku richtig fahren

Für die Physik eines Akkus ist es unerheblich, ob die Belastungen durch starke Ströme beim Laden oder durch das Entladen verursacht werden. Daher ist neben einem behutsamen Laden auch das zurückhaltende Fahrverhalten des Elektroautofahrers entscheidend.

Bekanntlich verfügen E-Autos über erheblich bessere Beschleunigungswerte als konventionell angetriebene Fahrzeuge. Das verleitet viele Nutzer, das Auto maximal zu beschleunigen, denn man ist schliesslich damit oft der Schnellste beim Ampelstart. Starke Beschleunigung bedeutet die Nutzung einer hohen Stromleistung. Ständig und immer «Vollgas» ist der »Akkugesundheit” aber abträglich.

Dieses Phänomen begründet sich wiederum mit der Temperatur. Beim Durchtreten des Fahrpedals wird ein starker Strom abgerufen, den der Akku auch liefert. Dadurch erhitzt er sich kurzzeitig, da die Klimatisierung nicht in gleichem Zeitraum für die entsprechende Temperaturabsenkung sorgen kann. Sie ist schlicht zu langsam. Zwar tritt auch hier kein Totalverlust auf, nur weil man einmal die volle Beschleunigung abgerufen hat. Wirklich fundamental schädigendes Verhalten verhindert die Akkusteuerung. Die Entnahme einer hohen Stromleistung wird schlicht durch eine entsprechende Abriegelung verhindert. Elektroautos sollte  man daher nicht stundenlang unter Volllast fahren.

Der Akku altert ganz von allein

Wichtig zu wissen: Schon die Zeit lässt einen Akku altern.

Speziell beim Kauf von gebrauchten Elektroautos ist zu bedenken: Je älter, desto weniger Kapazität hat auch der Akku – selbst wenn das Auto kaum gefahren wurde! Interessant ist dabei, dass der Akku schneller altert, je voller er im ruhenden Zustand ist. In einer Studie der RWTH Aachen hatte ein voll geladener Akku nach zwei Jahren bereits 15 Prozent seines Speichervermögens eingebüsst. Ein nur zu 20 Prozent geladener Akku verlor in derselben Zeit so gut wie keine Kapazität.

Die richtigen Rahmenbedingungen bei Lagerung des Lithium-Ionen-Akku

• Eine vollständige Ladung strapaziert die Zellenspannung – ideal ist ein Ladestand zwischen 20% und maximal 75 %.
• Bei längerer Abwesenheit, z.B. in den Sommerferien, das Auto möglichst mit halbvollem Akku abstellen, da ein abgestelltes Elektroauto pro Tag bis zu einem Prozent der gespeicherten Energie verlieren kann.
• Bei 15° Celsius wird ein Ladestand von 60 % empfohlen.
• Gelförmige oder flüssige Elektrolyten dürfen nicht gefrieren – dies ist meist bei Temperaturen unter minus 25° Celsius der Fall
• die Aussentemperatur beeinflusst das Altern der Akkus. Akkus funktionieren bei Temperaturen zwischen 15 und 25 Grad Celsius am besten. Im Sommer sollte der Stromer im Schatten parken, im Winter am besten in einer Garage.
• Wer eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach hat, kann überschüssige Energie im Auto speichern und bei Bedarf wieder abrufen. Die Schattenseite: dieses bidirektionale Laden kostet Auto-Akku-Lebensdauer.

Die richtigen Rahmenbedingungen beim Laden des Lithium-Ionen-Akku

• Kälte während des Ladevorgangs geht mit einer vorzeitigen Alterung einher, die nicht mehr zu kompensieren ist. Temperaturen unter 0° Celsius sind zu vermeiden. Besser das Auto nicht über Nacht in der Kälte stehen lassen und erst am morgen laden, sondern sofort nach dem Heimkommen. Wenn der Akku direkt nach der Fahrt zum Laden angeschlossen wird, lädt hat er noch in der Betriebstemperatur. Das verkürzt die Ladezeit und reduziert die Ladeverluste sowie Schäden innerhalb des Akkus. Gerade im Winter spielt das eine wichtige Rolle.
• Hitze bewirkt eine Zersetzung von Elektrolyten, welche ihrerseits für eine Schicht auf der Anode sorgen. Das betrifft zwar nicht alle Systeme, sollte aber bei handelsüblichen Akkus bedacht werden.
• Je langsamer die Ladeleistung, desto schonender ist es für die Batterie. Schnellladen wenn möglich vermeiden. Beim Schnellladen entstehen nach einer Weile sehr hohe Temperaturen im Akku, die zur Anlagerung von metallischem Lithium an der Anode führen können. Das verkürzt die Lebensdauer des Akkus.
• Erst vor dem Losfahren laden. Bei zeitversetztem das Laden über Nacht programmieren, dass der Akku unmittelbar vor dem Losfahren voll ist. Das hat auch den Vorteil, dass man mit betriebswarmen Batterien startet – dann ist der Energieverbrauch niedriger.
• Auch die Zyklentiefe spielt eine Rolle: Je grösser die Differenz zwischen dem Zustand vor der Ladung und danach, desto stärker altert der Akku. Das vermeiden Sie, indem Sie den Akku möglichst nicht ganz leer fahren – und möglichst nie zu 100 Prozent auffüllen.

Die richtigen Rahmenbedingungen beim Fahren eines Autos mit Lithium-Ionen-Akku

• Starkes Beschleunigen schadet dem Akku. Es ist wie beim Verbrenner: Hohes Spurttempo verringert die Lebensdauer. Bei hohem Energiebedarf erwärmt sich der Akku stark. Das führt im Akkuinnern zu Veränderungen, die Kapazität sinkt. Daher sollten Sie vorausschauend fahren und starkes Beschleunigen vermeiden – vor allem bei einem kalten Akku.
• Auch maximales Tempo schadet indirekt der Batterie, weil sie sich schneller entlädt, und das sorgt für häufigere Ladezyklen.

Die richtigen Rahmenbedingungen bei der Wartung der Batterie

• Immer eine Werkstatt mit erfahrenem Personal für die Wartung des E-Auto wählen. Eigentlich eine Selbstverständlichkeit, doch bisher verfügen nur wenige Werkstätten über Monteure, die sich mit Hochvoltsystemen und Lademanagement auskennen.
• Die Service-Intervalle einhalten. Das garantiert die reibungslose Funktion der Technik. Nicht bei jedem Hersteller ist das nötig, Tesla beispielsweise hat die festen Wartungsintervalle abgeschafft, spielt Software-Update «over the Air» (OTA) zentral ein, getauscht wird oft nur noch die Bremsflüssigkeit. Auch andere Hersteller wie z.B. VW führen sukzessive OTA-Updates ein.